高层预制装配式混凝土结构足尺模型试验研究

高层预制装配式混凝土结构足尺模型试验研究

预制混凝土梁节点是根据施工方法的混凝土梁节点之一。由于其缩短了施工时间，保证了施工质量，并具有保护环境的优势，已在欧洲、美国、加拿大和日本等国家广泛传播。由于其连接能力显著影响了整体结构的性能，国内外研究人员对各种安装结构、节点[3.8]和整体结构的衰减性能进行了大量研究。目前,装配节点一般进行预制件间钢筋连接、预制件间抗剪设计及预制梁端抗剪设计设计等内容:预制柱的纵向钢筋通常采用套筒连接;预制梁纵向钢筋主要通过在节点区锚固或者通过钢板焊接方式连接,许多节点试验与理论研究证明了这些连接方式的有效性。目前国内相关研究机构正在构建预制混凝土结构规范修订建议和框架,虽然这些研究为规范的修订提供了重要的参考依据,但仍然有众多方面需要进一步研究:如目前的套筒连接以及锚固连接或焊接方式的装配节点主要针对构件尺寸较小、荷载水平较低的预制混凝土结构构件、节点以及框架,对于构件尺寸较大、荷载水平较高的高层装配混凝土结构需要进一步研究;另外目前的预制混凝土结构节点的研究主要研究了各种不同梁柱连接形式的抗震性能,对于考虑预制梁、柱、叠合楼板的节点整体性能研究较少。为研究多高层预制混凝土结构装配节点抗震性能与设计方法的需要,作者进行了不同连接方式的高轴压、大尺寸预制梁-柱-叠合板装配中节点试件的抗震性能试验研究,通过进行锚固连接与贯穿连接不同连接方式的足尺中节点构件的低周往复荷载试验,来研究高轴压、大尺寸整体节点的抗震性能以及不同连接方式对整体节点抗震性能的影响和施工的安全可靠性,分析此类装配节点在高层装配结构中应用的可行性。1节点钢结构节点设计本试验原型取自某100m高住宅楼的节点,为了使试验具有典型性和代表性,试验设计时根据节点位置以及受力状态,选择此预制装配结构底层柱截面最大、轴压比最大的中节点进行试验。同时为准确验证原型节点性能,采用足尺试验方法,制作3个中节点试件:一个现浇对比试件、一个钢筋锚固连接预制拼装试件,一个钢筋贯通连接预制拼装试件。节点试件中,柱构件长度取层高的一半,即1.5m(自节点中心至柱端侧向约束点的距离),轴压比为0.6,实际结构中,梁净跨为4800mm~5400mm,节点梁端加载点至柱边距离取梁高的2.5倍,均为1500mm,剪跨比为2.7。试件截面形式以及材料按工程实际情况采用,柱子和节点区混凝土强度为C60,主筋为HRB400,箍筋为HRB400。梁板部分的混凝土强度为C30,主筋为HRB400,箍筋为HRB335。试件中包括部分叠合板,作为梁的上翼缘。叠合板宽取梁跨的1/4,即1.5m。为构件安装和加载的需要,在试件柱和梁的顶部均设置方形加载头。节点构件规格如表1所示,节点受力及配筋如表2所示。试件成型及施工顺序为先预制梁和柱(如图1所示),在预制下柱和预制梁端下部预留钢筋,预制上柱通过钢筋套筒预留钢筋孔道与预制下柱钢筋对接,通过绑扎节点钢筋、梁上层钢筋、板钢筋后,采用混凝土浇筑节点区、梁上层及叠合板现浇层,最后吊装预制上柱与下部钢筋对位拼接(如图2所示),并采用速凝高强浆料对预留钢筋孔道进行灌浆。试验前对混凝土、钢筋以及灌浆的地材料性能进行了材料性能试验,灌浆的抗压强度均值为81MPa,其他具体的材性试验结果这里不进行赘述。2节点的开裂和屈服试验结果试验加载采用北京工业大学结构试验室4000t多功能电液伺服加载系统进行(如图3所示),柱两端都采用球铰加载轴向力,试件轴向力为1056t,由于梁端加载最大值约60t,柱高与梁长度大概相等,所以柱上下端需施加水平约束力约为60t,而球铰面与柱面的摩擦力远大于侧向所需约束力,所以柱上下端没有施加水平约束。试验前,先在节点的梁端施加5kN的竖向荷载,并循环一次以检测所有试验设备是否工作正常。正式试验时,柱端一次施加竖向荷载至试件预定的轴压力,并使其保持恒定。梁端根据低周往复荷载拟静力试验加载制度,采用力-位移混合控制加载。由于梁上楼板以及梁受拉和受压区不对称配筋,梁端上下开裂或屈服时对应的屈服荷载和位移都不相同,因此在节点反对称加载时,难以同时找到屈服荷载。试验过程中,如果节点一端达到屈服荷载,则保持荷载水平不变,再对另一端继续加载到屈服荷载(钢筋开始屈服),此时对应的荷载和位移,定义为各端对应的屈服荷载和屈服位移,作为继续进行位移控制加载的根据。试验结果表明:在往复荷载作用下,RC-JZ、PC-JZM和PC-JZG这3个节点的开裂破坏过程与特征基本相似,梁板区域经历了开裂、屈服、极限和破坏4个阶段,最后破坏均是预制梁柱交接处靠近梁端部位的钢筋屈服且混凝土出现压碎而破坏,而节点核心区以及上下柱无明显压裂现象。在梁端施加荷载时,3个节点在靠近节点核心区附近的梁端底部首先出现开裂现象,只是微小垂直裂缝出现的时间相对不同,RC-JZ节点在受拉约41t时开始出现裂缝,而PC-JZM和PC-JZG分别在37t和28t时首次出现裂缝。在梁端荷载反向时,梁端上部也先后出现微小的斜裂缝,随着往复荷载的不断增加,裂缝数量逐渐增多,已有的裂缝长度和宽度不断增大,并且分布范围逐渐向加载点方向发展延伸,方向也逐渐倾斜。随着进一步加载,靠近节点核心区附近的梁端底部裂缝与梁端上部裂缝形成交叉,节点叠合板靠近节点端部也出现开裂,随着荷载叠合板端部裂缝宽度增大,并且叠合板叠合层间开始出现裂缝,节点核心区在周围出现微小裂缝,此时,梁底部钢筋也先后出现屈服。进入位移控制加载后,节点核心区裂缝稳定,周围的保护层部分裂缝宽度增大,梁端裂缝迅速发展,一直到梁端钢筋屈服混凝土压碎,在3倍屈服位移时,RC-JZ、PC-JZM和PC-JZG这3个节点的梁端部最大裂缝宽度分别达到3mm、6mm和4mm,并且RC-JZ节点和PC-JZG节点的裂缝分布比较均匀,而PC-JZM节点的裂缝比较集中于梁柱交接处。随着控制位移的增大,最后梁端混凝土压酥,承载力下降,RC-JZ节点和PC-JZG节点混凝土剥落不明显,PC-JZM节点梁柱交接处混凝土压碎脱落相对明显。试件最终破坏情况如图4所示。3试验结果及节点性能分析3.1节点的能耗性能本文3个试件梁端竖向荷载P与梁端竖向位移Δ表示的滞回曲线如图5所示。由图5可知:1)在整个加载过程中由于T形梁(叠合板相当于T形梁翼缘)以及不对称配筋使得梁端受拉和受压的滞回曲线不对称,但3种节点滞回曲线形状大致相同,且滞回曲线都比较饱满,说明节点都具有较好的耗能性能;2)节点在开裂前曲线的滞回曲线斜率无明显变化,构件的残余变形很小,滞回曲线均呈尖梭形。但是现浇节点开裂前后曲线的斜率有明显变小的现象,而拼装节点的斜率变化不大,说明在开裂前后现浇结点的刚度衰减要比拼装节点的稍大。从开裂到屈服由于出现裂缝,滞回曲线的形状介于梭行和反S行之间。破环时梁下部钢筋产生较大的滑移,滞回曲线呈Z形状,而由于梁的上部主筋滑移相对较小,节点的受拉滞回曲线为反S形;3)PC-JZM节点、PC-JZG节点与RC-JZ节点的滞回性能相当,但PC-JZM节点的北侧梁底部锚固钢筋出现滑移现象,导致其滞回曲线出现变化。3.2节点的延性分析节点骨架曲线如图6所示,由图6可知:装配节点与现浇节点的表现出相似的发展规律,随加载位移的增加,承载力持续增加,不管是正向还是负向屈服位移后,对于相同的加载位移,PC-JZG节点与RC-JZ节点的承载力比较接近,两者承载能力大体相同,而PC-JZM节点北端的正向承载力明显低于其他节点,主要是由于梁底锚固钢筋出现滑移。3种节点梁端底部钢筋屈服后,由于梁上部叠合板混凝土没有压屈,在5倍的屈服位移加载后承载力没有明显下降,可见节点反向变形能力都较大。表3进一步对其位移延性系数进行了计算,其中极限位移Du为荷载降到最大荷载80%时的位移值。由表3可知,PC-JZG节点梁受拉、受压的延性系数都要比RC-JZ节点大,PC-JZM节点只有受压时的延性系数比RC-JZ节点的大,而受拉时却比RC-JZ节点小,尤其是PC-JZM节点的北侧梁最小,这说明底筋锚固使节点的延性系数变小,影响了结构的抗震能力。底筋贯通对结构延性系数起到有利的影响。3.3节点能耗系数随加载位移的变化对于节点的耗能能力,可以采用能量耗散系数进行计算分析,根据各节点的试验滞回环计算出的能量耗散系数随加载位移变化情况如图7所示。由图7可知,节点的耗能系数随着加载位移的不断增大而增大,但拼装节点的耗能能力相对稍好于现浇节点的耗能能力。加载初期裂缝较少,塑性变形较小,节点耗能都较小,但装配节点的裂缝要比现浇节点出现得早,也较早进入塑性变形而使耗能系数高于现浇节点。加载到破坏时节点的耗能能力均没有下降趋势,说明节点破坏时梁端塑性铰区破坏并不严重,总体来说PC-JZG节点和PC-JZM节点的耗能系数都要比RC-JZ节点稍大,除了PC-JZM节点北端梁的耗能系数总体偏低。3.4等效刚度退化试件在加载过程中,其刚度不断退化,而在等幅往复加载时,其刚度也随着循环次数的增加而退化。如果刚度采用峰值点的割线刚度来表示,那么每级加载时的等效刚度可以采用当前加载位移下3个循环峰值点的割线刚度的平均值来表示。图8表示了试件等效刚度退化随加载位移的变化情况:梁的等效刚度曲线走势基本一致;加载初期,RC-JZ节点开始刚度要比其他节点大,PC-JZM节点和PC-JZG节点在等效刚度上差异不大,PC-JZG节点的刚度要稍大;而由于出现钢筋滑移,PC-JZM节点的北侧梁开始时刚度要比其他梁小;总体来说,PC-JZM节点和PC-JZG节点的刚度退化相对RC-JZ节点稍缓慢,说明对于此类柱截面800mm×800mm的两种装配节点的抗震性能稍好于对应的现浇节点,另外对于更大截面尺寸的节点还需要进一步试验验证。3.5梁端加载位移随梁端位移的变化梁端部拼缝的影响是本次试验研究的一个重要内容,因此试验过程中对拼缝处梁端的位移进行了测量,图9表示了裂缝开裂过程中,裂缝处的位移随梁端加载位移的变化图。由图9可知,在加载位移较小时,由于裂缝开展较小,各试件拼缝处梁端位移相差不大,而加载位移增大到约20mm后,由于裂缝开展,裂缝宽度较大,梁的转动也相对较大,导致试件拼缝处梁端位移逐渐偏离。总体来说锚固连接的节点裂缝处位移相对贯通连接的节点位移大,这是由于锚固连接的节点的裂缝较贯通连接的节点的裂缝更宽所导致,与其破坏现象相符合。4预制混凝土结构锚固式梁柱叠合板节点钢筋滑移(1)预制混凝土结构贯通式梁柱叠合板中节点的抗震性能和主要抗震性能指标与现浇混凝土节点基本接近,表明此类型大尺寸高轴压预制混凝土装配结构与现浇混凝土结构具有相同或相近的抗震能力;预制混凝土结构锚固式梁柱叠合板中节点容易出现钢筋滑移现象,实